Способ определения поля завихренности
Изобретение предназначено для изучения физических процессов в жидкости в лабораторных условиях. Цель изобретения - обеспечение возможности определения поля завихренности в реальном масштабе времени с высокой точностью. Способ заключается в том, что через жидкость пропускают линейно поляризованный свет. Затем в прошедшем через жидкость свете выделяют компоненту с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего на жидкость света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света. Выделенную компоненту света используют для визуализации поля завихренности, а по распределению интенсивности света в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, измеряют поле завихренности. 3 ил.
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (19) (И) А1 (51) 4 G 02 F 1 03
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К А BTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ тор 2 с расположенными последовательно расширяющим телескопом 3, кюветой 4 с исследуемой жидкостью, вращателем 5 плоскости поляризации и отражающим зеркалом 6, оптически связанные через поляризатор 2 с кюветой 4 последовательно расположенные расширяющий телескоп 7, объектив 8 и фотоиндикатор 9.
В качестве источника 1 света можНо использовать любой стандартный осветитель, формирующий на выходе параллельный пучок света, например промышленный газовый лезер ЛГ-79-1.
В качестве поляризатора 2 может быть использована призма Глана или
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР (21) 4304463/31-25 (22) 14.09.87 (46) 23.09.89. Бюл. N9 35 (71) Институт прикладной физики АН
СССР (72) А.M.Êèñåëåâ и Е.И.Якубович (53) 535.8 (088 ° 8) (56) Турбулентность, принципы и применения. / Под ред. У.Форста. — М.:
Мир, 1980, с. 442.
Смольяков А.В. и др. Измерение турбулентных пульсаций. — Л.: Энергия, 1980, с, 189. (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОЛЯ ЗАВИХРЕННОСТИ (57) Изобретение предназначено для изучения физических процессов в жид кости в лабораторных условиях. Цель
Изобретение относится к области изучения физических процессов в жидкости в лабораторных экспериментах.
Целью изобретения является повышение точности и обеспечение определения поля завихренности в реальном масщтаба време)(и.
На фиг.1 и 2 представлены схемы двум уатройств, различным образом реализующих данный способ, на фиг.3 схема, поясняющая работу резонансного усилителя в устройстве, изображенном на фиг.2.
Устройство, изображенное на фиг.1, содержит источник 1 света, оптически связанный через поляриза2 изобретения — обеспечение возможности определения поля завихренности в реальном масштабе времени с высокой точностью. Способ заключается в том, что через жидкость пропускают линейно поляризованный свет. Затем в прошедшем через жидкость свете выделяют компоненту с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего на жидкость света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедmего света с поляризацией, параллельной поляризации пздающего света.
Выделенную компоненту света исполь зуют для визуализации поля завихренности, а по распределению интенсивности света в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, измеряют поле завихренности.
3 ил.
9807
15
Первое слагаемое to — диэлектрическая проницаемость неподвижной
30 жидкости, второе и третье слагаемые возникают из-за движения жидкости и вызывают изменение поляризации проходящего света (динамооптический эффект), причем второе слагаемое <(— + — ) пропорционально тенз к Sv„. ах; эх; зору деформации жидкости и приводит к эллиптической поляризации проходящего через жидкость линейно поля,10 ризованного света, а элементы тензора i 3g (— - — — ) — третье слаäv д < дх; дхк гаемое, пропорциональны компонентам
rot v, т.е. компонентам вектора завихренности. Это слагаемое определяет поворот поляризации проходящего через жидкость линейно поляризо; ванного света, характер поляризации .при этом не изменяется.
При падении линейно поляризованного света на слой движущейся жидкости толщиной L вектор Е амплитуды электрического поля световой волны в прошедшем свете имеет вид
55 Вь<ь i ll 2 Ео л 6 Е «ь 2ьа (2) пластину. 3 150 анизотропный клин с оптической осью, параллельной или перпендикулярной образующей двугранного угла при вершине клина. Для создания завихренности можно прокачивать жидкость через неподвижную кювету или вращать герметически закрытую кювету с жидкостью вокруг некоторой оси (например, для цилиндрической кюветы — вокруг продольной оси). Расширяющие телескопы 3 и 7 могут отсутствовать, если источник света формирует световой пучок с апертурой, сравнимой с апертурой входного окна кюветы. В качестве вращателя 5 плоскости поляризации может быть использована ячейка Фарадея. В качестве фотоиндикатора может быть использован экран, фотоаппарат электронно-оптический преобразователь (ЭОП), фотоматрица и т.п. Для исследования может быть взята практически любая жидкость, прозрачная в использующемся диапазоне длин волн. Устройство, изображенное на фиг.2, обладает более высокой чувствительностью и содержит последовательно расположенные источник 10 монохроматического света, расширяющий телескоп 1 1, кювету 12 с исследуемой жидкостью, сужающий телескоп 1 поляризатор-модулятор 14, усилитель 15, оптически связанные элементом 16 связи с последовательно расположенными резонансным усилителем 17, фильтром 18 расширяющим телескопом 19 и фотоиндикатором 20, источник 21 монохроматического света, оптически связанный тем же элементом 16 связи с элементами 17, 18, 19 и 20. В качестве источника 10 монохроматического света можно использовать твердотельный или газовьп лазер,например лазер типа ЛТИПЧ. В качестве поляризатора-модулятора 14 можно использовать поляризаторымодуляторы, работающие на основе эффекта Фарадея. В качестве усилителя 15 можно ис- пользовать усилитель с активным элементом, подобным используемому в источнике 10. В качестве элемента 16 связи можно использовать плоскопараллельную В качестве активной среды резонансного усилителя можно использовать красители, пары щелочных металлов и т.п. Кювета и фотоиндикатор аналогичны описанным на фиг.1. Способ определения поля завихренности заключается в выделении в прошедшем через движущуюся жидкость свете компоненты, пропорциональной завихренности. Распределение интенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости, через которую этот свет прошел. В тензоре диэлектрической проницаемости движущейся жидкости присутствует член, пропорциональный завихренности жидкости с =Е+ jl<(" + — .)+ Зх; дхк av„ дх, 5 15 ЛФ где Ec — вектор амплитуды падающей на среду волны, — волновое число; — тензор (+ ) Э к Эх; Э х„ д — коэффициенты. При выборе оси z по направлению распространения света, оси х — по направлению поляризации падающего света в прошедшем через движущуюся жидкость света наряду с компонентой света, поляризованной вдоль оси х алых (Е „), появляется компонента света 09807 (3) с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего света, т.е. поьых ляриэованная вдоль оси у (Е „) . Эта ььн компонента Е г в первом приближении состоит из двух .слагаемых, одно иэ которых пропорционально деформации среды, а другое — завихренности. где Я вЂ” осевая компонента (z-компонента) вектора завихренности, Л вЂ” (rot v) . Первое слагаемое в этом, выражении, пропорциональное деформации, имеет фазу, перпендикулярную г S hl)l фазе компоненты Е х, т.е. колеблетььгх ся в квадратуре с полем волны Е „ а второе слагаемое, пропорциональное завихренности, имеет фазу, совпадаюзых щую с фазой компоненты Е х, т.е. Вых синфазно с Е „ Таким образом, в прошедшем через движущуюся жидкость эллиптически по ляризованном свете присутствует пропорциональная завихренности жидкости компонента с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего линейно поляризованного света, и фазой совпадающей с фазой компоненты про,шедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света. 45 50 в формуле (3), взаимно, а понорот поляризации, обусловленный завихренностью среды (второе слагаемое B формуле (3)), нензаимен (фарадеенского типа). Поэтому, если после прохождения линейно поляризованного света через движущуюся жидкость н прямом направлении пропустить свет через жидкость н обратном направлении по тому же пути, развернув предварительно его поляризацию на 90, то изменение поляризации, обусловленное деформацией среды, скомпенсируется, а поворот поляризации, обусловленный завихренностью жидкости, удвоится. Следовательно, н двая цы прошедшем (вперед и назад) через движущуюся жидкость свете наряду с компонентой света, поляризованной вдоль оси х г,ых (E „ ), будет присутствовать только та компонента света, поляризованная, ьых вдоль оси у (E ), которая пропорциональна завихренности жидкости. Эту пропорциональную завихренности жидкости компоненту можно отделить от компоненты Е г " пропусканием света через поляризатор. Распределение интенсивности света, обусловленное этой компонентой в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения, повторяет распределение завихренности жидкости через которую этот свет прошел. Визуализацию поля завихренности можно осуществить rio картине распределения интенсивности света, обусловленного этой компонентой, на фотоиндикаторе, установленном в плоскости, перпендикулярной направлению его распространения. Измерение поля завихренности осуществляется фотометрированием этой картины. Работа устройства, представленного на фиг.2, также основана на том, что компонента поля Е в формуле х (3), пропорциональна завихренности 1 синфазна с Е „, а компонента поля Е> пропорциональная деформации, колеблется в квадратуре с полем волны ьых Е х ° Б основу работы устройства для реализации способа, приведенного на фиг.",, положено то свойство, что изменение поляризации, обуслонленное деформацией среды (первое слагаемое Формируемый источником монохроматический линейно поляризованный вдолЬ оси х свет частоты <А-, проходя через кювету с исследуемой жидкостью, при1509807 обретает на выходе из кюветы эллиптическую поляризацию, причем возникающая деформация жидкости приводит к возникновению эллиптичности прошедше- 5 го света, а возникающая завихренность приводит к повороту большой оси эллипса относительно оси х, оставляя характер поляризации неизменным. Для того, чтобы выделить компоненту све- 10 та, пропорциональную завихренности, свет сначала пропускается через поляризатор-модулятор 14, в котором угол 8 наклона поляризации прошедшего через него света к оси у модулиру- 15 ется с частотой 6, выбираемой >) )) (Й вЂ” время релаксации населенности активной среды усилителя 17) и <сЭ,. При этом целесообразно выбрать амплитуду модуляции этого угла такой, чтобы на выходе поляризаторамодулятора 14 компонеHTbl света Е sjn 8. (Ец + 1„) cos8 были 25 одного порядка (амплитуда Е света на выходе поляризатора †модулято 14 равна сумме этих компонент — закон Иалюса) . Этот линейно поляризованный и модулированный с частотой Ь свет используется в качестве подсветки в резонансном усилителе 17, в который одновременно направляется свет час.тоты со,(ыо (фиг.3) от источника 21. В результате на выходе усилителя 17 поле содержит член, пропорциональный 1 Еl 7(Q<), где Е (сА) — усиливаемое в нем поле частоты М 40 В силу того, что угол В модулируется во времени с частотой (с Юо, подсветка содержит различные гармоники низкой частоты, а поле на выходе усилителя 17 среди пРочих име- 45 ет гармонику с + Ь, амплитуда ко. ьы Pl торой пропорциональна Е „Е(сА) Е < т.е. пропорциональна завихренности. Выделение этой гармоники можно осуществить с помощью фильтра 18, который, однако, целесообразно конструктивно объединить с усилителем 17, собрав последний по регенеративной схеме с одномодовым резонатором на частоте со, + 6, при этом лучше использовать такую активную среду, у которой один из уровней расщеплен с частотой расщепления, равной Ь ; . Пример. Способ осуществляют на установке, собранной по схеме,. приведенной на фиг.1. В качестве источника 1 света используют газовый лазер ЛГ-79-1. Поляризатор 2 выполняют в виде призмы Глана. Поле завихренности создают в цилиндрической кювете 4, заполненной дистиллированной водой. Длина кюветы d = — 300 мм. Окна кюветы диаметром 100 мм изготовляют из оптического стекла К-8 и укрепляют через резиновые прокладки накидными гайками. В кювете выполняют отверстие, закрывающееся завинчивающейся пробкой, для заливки кюветы жидкостью. Кювета 4 вращается на двух шариковых подшипниках, внутренние обоймы которых запрессованы в тело кюветы, а внешние запрессованы в опоры, закрепленные на массивном основании. Вращение кюветы 4 осуществляют от трехфазного электродвигателя мощностью 600 Вт с помощью ременной передачи. Шкив на кювете 4 располагают на середине ее длины и выполняют как 1: 1, 1: 1/2, 1: 1/4 соответственно. Электродвигатель. через резиновую прокладку укрепляют на том же основании, что и кювету. Система содержит устройство регулировки натяжения приводного ремня. Скорость вращения кюветы может регулироваться от нуля до 3600 об/мин. В качестве зеркала 6 используюl диэлектрическое зеркало с коэффициентом отражения на Э = 63 мкм  — 992, диаметром 100 мм. В качестве невзаимного.элемен. используют ромб Френеля. В качестве фотоиндикатора 9 используют экран, изображение с которого. снимают на фотопленку для фотометрирования распределения интенсивности света. Способ осуществляют следующим образом. В начальный момент времени кювета 4 находится в покое. Включают лазер 1 и осуществляют калибровку всей системы. Она заключается в следующем. Сформированный источником 1 параллельный пучок света направляют на поляризатор 2 — призму Глана. Поскольку лазер 1 формирует линейно поляризованное излучение, то поляризатор 2 настраивают на максимальное пропускание падающего на него света. 1509807 Затем проводят кювету во вращение до скорости 3600 об/мин и на экране 9 наблюдают поле завихренности, а фо5 тометрированием распределения интенсивности светового поля на экране измеряют поле завихренности. Линейно поляризованное излучение, получаемое на выходе поляризатора 2, через расширяющий телескоп 3 направляют в кювету 4 с исследуемой жидкостью. С выхода кюветы 4 световой пучок направляют на вращатель 5 плоскости поляризации, который поворачивает поляризацию на и/4. Затем световой пучок направляют >f0 на отражающее зеркало б. Отраженный зеркалом б световой пучок вновь проходит через вращатель плоскости поляризации и испытывает поворот плоскости поляризации еще на Т/4.Далее пучок15 последовательно пропускают через кювету 4 и телескоп 3 в обратном направлении и направляют на поляризацию 2. При этом на экране 9, установленном за расширяющими телескопом 7 20 и объективом 8, должно быть темное поле, поскольку вследствие взаимности на обратном проходе светового пучка через систему происходит компенсация поворота поляризации, обусловленного случайной анизотропией оптических элементов. Формула и з обретения Способ определения поля эавихренности, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и обеспечения измерения поля завихренности в реальном масштабе времени, через жидкость пропускают линейно поляризованный свет, в прошедшем через жидкость света выделяют пространственное амплитудное распределение компоненты с поляризацией, перпендикулярной поляризации падающего на среду света, и фазой, совпадающей с фазой компоненты прошедшего света с поляризацией, параллельной поляризации падающего света, и по распределению амплитуд выделенной компоненты судят о поле завихренности. 1509807 Я Я) Составитель,п,Архонтов Редактор С.Пекарь Текред,Д,Олийнык. Корректор И.Иаксимишинец Заказ,5806/42 Тираж 513 Подписное ВНБИПИ Государственного комитета но изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Иосква, Я-35, Раушская наб., д. 4/5 Производственно- издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул, Гагарина, 101 
